Prodotti biochimici ed economia circolare: ottimizzazione della catena del valore biologica

I prodotti biochimici - derivati ​​da materie prime rinnovabili come biomassa, residui organici e rifiuti - si stanno affermando come elementi costitutivi fondamentali dell'economia circolare. Consentono il passaggio dalla chimica basata su materie prime di origine fossile a quella basata su fonti biologiche, con applicazioni che spaziano dai carburanti ai materiali, fino alla chimica fine. Agendo come molecole di base, i prodotti biochimici vanno dagli acidi grassi agli amminoacidi e agli acidi nucleici, fino ad arrivare alle molecole complesse e di grandi dimensioni utilizzate per produrre combustibili, polimeri e prodotti chimici speciali.

L'urgenza di ottimizzare la filiera biologica è dettata sia dalla scala che dall'impatto. Nel 2025, il mercato globale dei prodotti biochimici aveva un valore di circa 88-90 miliardi di dollari e si prevede che raddoppierà entro il 2035, con tassi di crescita annuali del 7-10%.

Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA), la produzione chimica è responsabile di circa 935 milioni di tonnellate di emissioni dirette di CO₂ all'anno. Questo lo rende uno dei settori più difficili da decarbonizzare. Senza una maggiore adozione di prodotti biochimici e altre alternative rispettose del clima, le emissioni dell'industria chimica e petrolchimica potrebbero raggiungere quasi 2,8 miliardi di tonnellate di CO₂ equivalente entro il 2030, con un aumento di quasi il 50% rispetto al 2010 in uno scenario di "business-as-usual".

I prodotti biochimici fanno parte della soluzione. Le valutazioni del ciclo di vita dimostrano che i prodotti di origine biologica possono ridurre le emissioni di gas serra di circa il 45% rispetto alle alternative di origine fossile. I risultati variano a seconda della materia prima, della configurazione del processo e della scala. Ciò posiziona i prodotti biochimici come elemento centrale per la riduzione dell'impronta di carbonio della produzione chimica promuovendo, nel contempo, modelli di economia circolare.

I quadri di riferimento strategici a livello globale stanno attivamente spingendo questo cambiamento. In Asia, gli obiettivi climatici sono sempre più allineati con la decarbonizzazione industriale e l'efficienza nell'uso delle risorse. La Cinapunta alla neutralità carbonica entro il 2060 , mentre Giappone e Corea del Sudpensano al 2050. Le strategie nazionali sostengono questi obiettivi attraverso materiali di origine biologica, biocarburanti avanzati e produzione circolare, al fine di ridurre la dipendenza dalle materie prime fossili.

In America Latina, il programma brasiliano RenovaBio stabilisce obiettivi nazionali di decarbonizzazione per il settore dei carburanti. Certifica i biocarburanti in base alle prestazioni in termini di emissioni di gas serra nell'arco dell'intero ciclo di vita, rilasciando crediti di decarbonizzazione negoziabili (CBIO) legati a riduzioni verificate delle emissioni.

Negli Stati Uniti, l'Inflation Reduction Act sostiene i biocarburanti offrendo crediti d'imposta ai produttori di carburanti a basse emissioni di gas serra nel corso del loro ciclo di vita.

Nell'Unione Europea, la Direttiva sulle Energie Rinnovabili (RED III) fissa un obiettivo vincolante di almeno il 42,5% di energia rinnovabile entro il 2030, con una forte attenzione ai carburanti per i trasporti, all'industria e alle filiere biologiche avanzate. Gli stati membridevono raggiungere il 29% di energia rinnovabile nei trasporti o una riduzione del 14,5% dell'intensità dei gas serra, con un'influenza diretta su biocarburanti, sostanze chimiche rinnovabili e catene di approvvigionamento biochimiche. Questi requisiti sono ulteriormente rafforzati da criteri di sostenibilità, sistemi di certificazione e obblighi di rendicontazione del ciclo di vita che garantiscono riduzioni di carbonio verificate lungo le catene del valore.

Le risorse rinnovabili fungono da elementi intermedi costitutivi di una vasta gamma di prodotti di origine biologica già affermati nei mercati globali dell'energia e dei materiali. Consentono la conversione di materie prime rinnovabili in prodotti finali con diversi profili prestazionali a seconda dei percorsi di processo e dei requisiti applicativi. Ciò costituisce il fondamento strutturale di una filiera biologica circolare.

Considerato che la produzione chimica rappresenta circa il 10% delle emissioni industriali globali di CO₂ , le transizioni verso un'economia basata su risorse biologiche si concentrano sempre più sulle modalità di integrazione delle materie prime rinnovabili nei sistemi di produzione. I bioprocessi consentono di trattenere il carbonio all'interno delle catene del valore industriali, utilizzando risorse biologiche anziché dipendere da un apporto continuo di sostanze di origine fossile.

I prodotti biochimici svolgono un ruolo centrale in questo sviluppo, collegando le materie prime rinnovabili a una vasta gamma di combustibili e intermedi a valle, a supporto di una produzione più resiliente e in linea con gli obiettivi climatici.

Nella produzione biologica, le materie prime rinnovabili vengono convertite in prodotti intermedi che possono servire a più prodotti finali, invece di essere utilizzate una sola volta. Questo approccio contribuisce a chiudere i cicli del carbonio mantenendo le materie prime in circolazione attraverso altre fasi del processo e diverse applicazioni. Il collegamento di queste fasi migliora l'efficienza complessiva del processo e contribuisce a ridurre le emissioni nell'arco dell'intero ciclo di vita.

In pratica, ciò si ottiene collegando la fermentazione, la conversione chimica mirata e il trattamento a valle. La fermentazione trasforma la biomassa o i residui organici in intermedi, le fasi chimiche li adattano ad applicazioni specifiche e i trattamenti a valle isolano e purificano i prodotti finali. L'integrazione di queste fasi consente un utilizzo più efficiente delle risorse, con una conseguente e ulteriore riduzione dell'impatto ambientale.

I prodotti biochimici consentono l'utilizzo produttivo di residui e scarti all'interno delle catene del valore della produzione chimica. Tuttavia, la conversione dei residui agricoli o dei rifiuti organici in materie prime di valore introduce una notevole complessità operativa. Gestire la variabilità delle materie prime di questi flussi è essenziale per mantenere l'efficienza del processo ed evitare perdite di resa.

La composizione dei residui può variare notevolmente. Un controllo accurato e un trattamento preciso contribuiscono a convertire questi flussi in prodotti industriali di elevata purezza.

Le molecole piattaforma consentono ai produttori di ottenere diversi prodotti finali dallo stesso processo biochimico. Un singolo intermedio - come, ad esempio, l'acido succinico o gli acidi grassi - può essere trasformato in combustibili, solventi o polimeri, a seconda delle esigenze del mercato.

Questa flessibilità consente alle aziende di regolare la produzione senza modificare le fasi principali del processo. La produzione può passare da combustibili ad alto volume a prodotti chimici speciali di maggior valore, utilizzando gli stessi asset. Di conseguenza, la produzione manifatturiera è meno dipendente da un unico mercato finale ed è più in grado di rispondere alle mutevoli esigenze della domanda.

Le prestazioni ambientali nella produzione biochimica non possono essere valutate solo attraverso miglioramenti isolati del processo. La valutazione del ciclo di vita (LCA) fornisce un metodo strutturato per quantificare le emissioni, il consumo di energia e il consumo di risorse lungo l'intera catena del valore, dall'approvvigionamento delle materie prime alla produzione finale.

Coprendo l'intera catena del valore, la LCA aiuta a identificare le fasi a maggiore impatto e a confrontare, sulla base di criteri uniformi, i processi basati su risorse biologiche e quelli basati su risorse di origine fossile. Applicata all'intera catena del valore biologica, la LCA supporta un processo decisionale informato, la conformità normativa e la rendicontazione della sostenibilità per la produzione biochimica.

Il biodiesel viene prodotto a partire da prodotti biochimici derivati da oli vegetali, oli esausti, grassi animali e flussi di residui come i sottoprodotti dell'industria del legno o dei processi oleochimici. Può essere utilizzato nei motori diesel convenzionali sia come carburante puro che in miscela con il diesel di origine fossile. La produzione di biodiesel si basa in genere su reazioni di transesterificazione che convertono grassi e oli ricchi di acidi grassi in componenti combustibili utilizzabili.

In quanto carburante rinnovabile per i trasporti, il biodiesel contribuisce a ridurre le emissioni di gas serra nell'arco dell'intero ciclo di vita e supporta i quadri normativi volti a diminuire l'intensità del carbonio nel settore dei trasporti.

Il bioetanolo viene prodotto tramite la fermentazione di zuccheri, amido o materie prime lignocellulosiche. È ampiamente utilizzato come componente di miscelazione nella benzina in molti sistemi di distribuzione a livello nazionale. Sostituendo parte dei combustibili fossili, il bioetanolo contribuisce a ridurre le emissioni complessive derivanti dal trasporto su strada e ad aumentare la quota di energie rinnovabili nel consumo di combustibili liquidi.

L'acido polilattico (PLA) è un polimero di origine biologica derivato da materie prime rinnovabili come l'amido di mais o la canna da zucchero. Viene prodotto attraverso intermedi biochimici generati durante la fermentazione e il successivo trattamento.

Le applicazioni finali del PLA includono:

• Imballaggi
• Tessuti/fibre
• Beni di consumo
• Filamenti per la stampa 3D
• Applicazioni industriali complesse

Se i prodotti biochimici contribuiscono allo sviluppo di combustibili e materiali a basse emissioni di carbonio, le loro prestazioni ambientali ed economiche dipendono da una produzione efficiente su larga scala. La conversione di materie prime rinnovabili in prodotti ad elevata purezza richiede un processo stabile in più fasi, tra cui la preparazione delle materie prime, la conversione biochimica o catalitica e la purificazione a valle.

Con la crescita di scala della produzione, piccole fluttuazioni nelle caratteristiche delle materie prime o nei parametri di processo possono ridurre l'efficienza di conversione e influire sulla qualità del prodotto. Il controllo preciso della temperatura, del pH e dell’equilibrio dei nutrienti è quindi fondamentale per operazioni affidabili su larga scala.

La strumentazione dei bioreattori e le tecnologie analitiche in linea forniscono dati di processo in tempo reale per monitorare le reazioni biochimiche, rilevare tempestivamente le deviazioni e correggere di conseguenza le condizioni operative. La visibilità continua sull'andamento del processo contribuisce a ridurre la variabilità, migliorare l'efficienza di conversione e supportare una produzione stabile su larga scala.

Un controllo efficace dei processi può ridurre la perdita di materie prime, diminuire il consumo energetico e minimizzare la produzione fuori specifica supportando, nel contempo, la conformità normativa e gli obiettivi di sostenibilità. Sistemi affidabili di misura e controllo svolgono quindi un ruolo importante nella crescita di scala della produzione biochimica e nella creazione di modelli di produzione circolare più resilienti.

Il passaggio alla produzione circolare solleva importanti interrogativi sul comportamento delle materie prime rinnovabili nei sistemi di produzione industriale. Le seguenti domande affrontano le problematiche comuni relative a stabilità del processo, variabilità delle materie prime e produzione biochimica su larga scala.